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研究检查扭曲的双层双层石墨烯中的自发对称性断裂

在过去的几年中,全球越来越多的研究人员一直在进行研究,以研究所谓的扭曲范德华(vdW)材料的特性和特征。这种独特的材料类别可能是检查由于电子之间强相互作用而发生的相关相的理想平台。

华盛顿大学和日本国立材料科学研究所的研究人员最近进行了一项研究,专门研究了扭曲的vdW异质结构中可能发生的相关绝缘状态,并且可以通过改变扭转角和施加外部电场来对其进行调节。在发表于《自然物理学》上的论文中,他们提出了扭曲的双层双层石墨烯的电输运测量,由此他们能够检查自发对称性破坏在材料相图中的作用。

凝聚态物质物理学家已经知道如何使用透明胶带剥落程序将单层单层材料(例如石墨烯)隔离15年以上。他们现在还知道如何分别拾取薄原子片并将它们彼此组装在一起。如果将它们旋转一个小的扭转角,就会出现称为莫尔条纹的几何干涉图案。该图案可以强烈地改变复合结构的电子性能。

华盛顿大学物理与材料科学与工程学助理教授马修·扬科维茨(Matthew Yankowitz)表示:“在某些情况下,莫尔条纹会导致材料中电子之间强相互作用而产生惊人的新电子态。”这项研究告诉Phys.org。“这是由麻省理工学院的研究人员于2018年首次发现的,他们在堆叠两个扭曲了1.1°的单层石墨烯片(即,魔角扭曲的双层石墨烯)后观察到了超导性和相关的绝缘态。这些相关态特别令人兴奋,因为它们驻留在一种完全由碳原子组成的化学计量简单的结构,可以使用许多实验旋钮(例如电荷掺杂,扭曲角和压力)进行动态调整。”

以前在块状晶体中也观察到类似的相关状态,但是在这些材料中,由于晶体的复杂结构,它们的调谐和理论建模更加困难。因此,了解这些高度相关的状态仍然是凝聚态物理中的关键挑战。

Yankowitz和他的同事们最近的工作的目的是了解如何将vdW异质结构中的这些相关状态用于研究和技术开发。在它们首次被发现存在于魔角扭曲的双层石墨烯中后不久,全世界的研究团队意识到,这些状态也可以在包含两层扭曲的双层石墨烯片(即总共四个石墨烯层)的异质结构中发现。

Yankowitz解释说:“在这种情况下,可以通过垂直于石墨烯片施加的电场来控制相关状态。” “但是,这些状态的确切性质仍然有些神秘。特别是,有些特征类似于超导的奇特形式,但是,这些特征的确切来源尚未得到很好的理解。我们研究的主要动机是解决这些问题通过研究具有电可调性的扭曲双层双层石墨烯。”

作为研究的一部分,Yankowitz和他的同事测量了电传输随温度和磁场的变化。当磁场较小时,横向于施加电流的电阻的符号(称为霍尔电阻)表明材料内部的主要电荷载体是哪种类型的亚原子粒子(即电子或“空穴”)。

当相关态在低温下自发地破坏双螺旋双层石墨烯中的对称性(即电子自旋或谷底对称性)时,材料的电子结构会迅速变化,其主电荷载流子也会发生变化。因此,同时测量材料的电阻率和霍尔效应可以提供有关材料中相关状态的宝贵见解。

“通过仔细测量扭曲的双层双层石墨烯的电阻率和霍尔效应随温度的变化,我们发现,突然的电阻率下降(让人联想到超导性)也与霍尔电阻的同时符号变化有关,”徐小东说。华盛顿大学物理与材料科学与工程教授。“与超导性相比,由于自发对称性破坏,这种观察与磁有序的发生更加一致。”

有趣的是,Yankowitz,Xu及其同事在扭曲的双层双层石墨烯中观察到的电阻率下降经历了最剧烈的变化,该变化是对称破坏态边界处温度的函数。作为研究的一部分,研究人员还研究了传输电流与施加电流引起的偏置的关系。

当他们向材料施加电流时,他们观察到与非线性传输相关的信号。尽管在超导状态下也观察到了非线性传输,但他们发现在样品中这很可能是焦耳加热机制的结果。

扬科维茨说:“我们的工作为扭曲的双层双层石墨烯中与相关态有关的先前神秘特征提供了重要的新认识。” “尽管我们不能直接排除超导性,但我们的结果表明,自发对称断裂驱动的磁性是扭曲双双层石墨烯中相关金属态的合理候选者。”

近年来,在各种各样的莫尔vdW异质结构中都观察到了类似超导电性的特征,该特征类似于该研究小组研究的特征。他们提出的新发现可能有助于将这些状态与以往研究在魔角扭曲双层石墨烯中揭示的超导电性区分开。

此外,Yankowitz,Xu和他们的同事收集的观察结果可以帮助从理论的角度更好地理解莫尔vdW异质结构中相关态的性质,到目前为止,这已证明是极具挑战性的。研究人员计划利用他们获得的见识来开发更直接的探针以了解这些状态。

Yankowitz说:“由于我们的结果表明相关的金属态是磁性有序的,因此我们希望结合使用电传输和光谱学来观察这种磁性的直接特征。” “我们还在研究控制这些相关状态的新方法,例如通过施加高压来改变材料的层间耦合和晶体结构。最后,理论预测该材料可能具有拓扑状态,例如量子反常霍尔效应,因此我们现在正在研究暴露和探究这种非平凡拓扑的方法。”

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